鬧市區(qū)深基坑施工技術(shù)分析

游成林，王朝陽，黃燦華，張曉東，郝亞強

（1.中建八局科技建設有限公司，上海 200433；2.上海長凱巖土工程有限公司，上海 200093）

1 引言

隨著城市建設的快速發(fā)展，鬧市區(qū)可使用的土地越來越少。為提高土地利用率，解決日益緊張的用地問題，地下空間的資源利用越來越普遍。多數(shù)開發(fā)商為了更大限度地開發(fā)地下資源，出現(xiàn)了越來越多的深基坑工程，這些深基坑大多處于城市中心的鬧市區(qū)，周邊環(huán)境復雜，緊鄰已建構(gòu)建筑物或地鐵隧道。如何采取有效的技術(shù)措施保證基坑的順利施工是基坑施工中需要研究的重點。

2 工程概況

擬建項目位于上海市浦東世博A02A-04 地塊，東至博展路、南至博成路、西至A02A-03 地塊、北至世博大道。本工程占地面積7824.00m2，總建筑面積42124.18m2，其中地上建筑面積24452.14m2，地下建筑面積17672.04m2。擬建建筑包括1 棟辦公樓以及商業(yè)裙房，采用裝配整體式框架剪力墻的結(jié)構(gòu)形式，地下3 層，地上10 層，建筑高度49.95m。

擬建項目位于軌道交通8 號線區(qū)間隧道50m 保護范圍內(nèi)，基坑采用分坑施工，以地下室2、3 層為界，分為2 個基坑，以降低基坑開挖對軌道區(qū)間隧道的影響。地下2 層區(qū)域基坑開挖深度為10.45m，基坑面積736m2；地下3 層區(qū)域基坑開挖深度為14.95/15.45m，基坑開挖面積為5459m2。

擬建項目基坑圍護體系采用地下連續(xù)墻，兩側(cè)結(jié)合三軸水泥攪拌樁作槽壁加固。支撐體系采用三道支撐，其中地下3 層區(qū)域采用三道鋼混凝土水平支撐，地下2 層區(qū)域第一道支撐為鋼混凝土水平支撐，其余兩道為預應力伺服鋼管支撐。整體基坑先施工地下3 層區(qū)域，待地下3 層區(qū)域出正負零后，再施工地下2層區(qū)域。

圖1 基坑圍護平面圖

3 地質(zhì)條件

擬建場地大部分地段受古河道切割，⑥層地基土缺失，⑦1層地基土不同程度被切割，相應分布較厚⑤3層土。具體地層信息見表1。

表1 土層信息統(tǒng)計表

圖2 典型地質(zhì)剖面圖

上海地下水類型主要為松散巖類孔隙水。孔隙水按形成時代、成因和水理特征可劃分為潛水含水層、微承壓含水層及承壓含水層。本場地勘探深度范圍內(nèi)涉及的地下水類型主要有淺部土層的潛水和中部第⑤2層中的微承壓水以及深部第⑦層、第⑨層中的第Ⅰ、Ⅱ承壓水。

勘察期間，實測潛水地下水穩(wěn)定水位埋深在1.10～1.50m 之間，標高在2.93～3.36m 之間。實測第⑤2層微承壓含水層地下水穩(wěn)定水位埋深在2.80～2.87m之間，標高在1.59～1.50m之間。

4 工程施工特點

本項目開挖范圍內(nèi)淺部含水層屬于軟粘土層，局部存在砂質(zhì)粉土夾層，這些土層含水量豐富、孔隙比大、壓縮性高，在施工過程中易發(fā)生土體壓縮、基坑圍護變形等問題，進而引發(fā)基坑坍塌事故。因此必須做隔水及潛水疏干處理。

基坑開挖面以下存在⑤2層微承壓含水層及⑦層承壓含水層，且兩層含水層基本相互連通，根據(jù)基坑抗突涌計算分析，基坑開挖過程中，存在承壓水突涌的風險，因此必須采取承壓水降水措施。

基坑北側(cè)緊鄰隧道區(qū)間，最近距離約10m，基坑開挖必然會對附近地鐵隧道及車站結(jié)構(gòu)造成影響。因此，施工過程中需要嚴格控制地鐵沉降，保證地鐵正常運行[1]。在施工期間應采取相應措施以減少對周邊環(huán)境的影響。控制圍護墻位移、測斜、支撐軸力、基坑內(nèi)地下水位、地下管線以及隧道區(qū)間環(huán)境監(jiān)測等是本工程的重點。

5 基坑施工技術(shù)保障措施

5.1 基坑降水

隨著深基坑工程規(guī)模不斷擴大、深度加深，地下水對深基坑施工的安全威脅越來越大[2]。因此基坑降水是基坑施工過程中的一項重要技術(shù)措施。一方面基坑潛水降水能排除基坑土中的水分，促使土體固結(jié)，提高地基強度，減少基底土的隆起，為基坑施工提供干燥的施工條件，縮短工期、提高工程質(zhì)量和保證施工安全。另一方面基坑承壓水降水可以降低基坑內(nèi)承壓水水頭，減小承壓水水頭壓力，防止開挖過程中管涌、流砂等不良現(xiàn)象發(fā)生，保證施工順利進行。在坑內(nèi)減壓降水的同時，可在坑外進行地下水回灌，通過人為提高地下水水位，減小坑外地表沉降。因此在工程施工中，采用合理的降水措施可以方便施工組織、降低成本、縮短工期、產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟效益。結(jié)合本項目的地質(zhì)條件，在基坑內(nèi)均勻布置20 口真空疏干深井，井深設置為16.5m，井底控制不進入承壓含水層。第⑤2層減壓降水井共布置14 口，井深24.0m，井位均避開加固、樁基、基礎梁等。

基坑施工過程中，在第一道支撐形成后開啟真空疏干深井進行預降水，預降水采用超級壓吸聯(lián)合抽水系統(tǒng)進行抽水，在基坑第二層土方開挖時，坑內(nèi)潛水水位已降低至地面以下9.0m，即第二道支撐以下2.5m；后續(xù)基坑開挖過程中，始終保持坑內(nèi)水位位于開挖面以下1.0m，保證施工時坑內(nèi)土方干燥。

根據(jù)抗突涌驗算以及生產(chǎn)性抽水試驗結(jié)果，本基坑開挖至8.5m 時需要開啟減壓降水，因此在基坑第二道支撐形成后，陸續(xù)開啟坑內(nèi)減壓井。降水期間，根據(jù)基坑開挖深度逐步增加降水井開啟數(shù)量，控制坑內(nèi)承壓水水位保持在安全水位，以保證基坑安全。同時減壓降水運行期間配備發(fā)電機，保證現(xiàn)場停電后，發(fā)電機自動啟動并切換，確保在基坑減壓降水運行期間持續(xù)供電[3]。

5.2 基坑土體加固

本項目基坑周邊環(huán)境復雜，且北側(cè)臨近軌道交通隧道區(qū)間，為了有效控制圍護內(nèi)側(cè)塑性區(qū)的土體變形，采用三軸水泥土攪拌樁全圓套打方式對本項目坑內(nèi)加固，施工中使用42.5 級普通硅酸鹽水泥（P·O.42.5），搭接250mm。

在三軸攪拌樁施工時，嚴格按照“均勻慢速，低水灰比”的要求施工，遵循先近后遠（先做近地鐵側(cè)，后做遠離地鐵側(cè)）的原則，跳浜施工，環(huán)境保護要求較高位置（基坑南側(cè)靠近共同溝和北側(cè)靠近隧道區(qū)間）外側(cè)槽壁加固，水泥漿液水灰比1.2，其余位置水泥漿液水灰比1.5。

5.3 基坑開挖原則

為了保證基坑施工過程中圍護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，對基坑進行分區(qū)分塊、分階段開挖[4]，并應“先撐后挖、嚴禁超挖”。基坑開挖分區(qū)、分塊根據(jù)結(jié)構(gòu)底板后澆帶或施工縫的位置確定，一次開挖暴露的圍護邊長不大于60m。

基坑土方分層開挖厚度不大于4.0m，臨時邊坡坡率不大于1:1.8，最后0.3m采用人工開挖。

基坑開挖到底后應及時澆筑素混凝土墊層，并應澆筑到邊，坑底無墊層暴露面積不大于200m，暴露時間不超過24h；相應分塊的基礎底板宜在14d內(nèi)澆筑完成，避免坑底長時間暴露。

5.4 基坑監(jiān)測

本項目周邊環(huán)境復雜，基坑在圍護結(jié)構(gòu)施工和基坑開挖過程中對圍護結(jié)構(gòu)、基坑影響范圍內(nèi)的周邊道路、管線、地鐵隧道、共同溝和其它建構(gòu)筑物進行環(huán)境監(jiān)測。

圖3 減壓降水期間坑內(nèi)承壓水水位歷時曲線

圖4 減壓降水期間坑外承壓水水位歷時曲線

圖5 減壓降水期間坑外回灌井單井回灌量歷時曲線

施工中，監(jiān)測報警以變形速率和累積變形量兩個指標值進行控制，一旦發(fā)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)異常，需要及時進行數(shù)據(jù)分析，加密監(jiān)測頻率，并采取相應的應急措施。

6 基坑開挖施工

本項目基坑開挖時，考慮到上海地區(qū)軟土的流變特點，應用“時空效應”原理，嚴格實行“分區(qū)、分層、分段、限時、對稱、均衡”的原則，開挖過程中盡量縮短基坑無支撐暴露時間，嚴格控制基坑變形。

6.1 降水情況

在基坑開挖前進行潛水預降水，15d 后，測量到坑內(nèi)水位已降至-8.10m（第二道支撐底標高為-7.00m），降水期間對降水井流量進行監(jiān)測，測得單井涌水量約0.9～1.5m3/d，與降水期間同步測得坑外潛水觀測井水位降幅約2cm。以上數(shù)據(jù)證明預降水期間，坑內(nèi)水位已滿足基坑第一、二層土方開挖需求，且止水帷幕達到了預期的止水效果。隨后坑內(nèi)真空疏干深井持續(xù)運行，保持坑內(nèi)水位位于開挖面以下1.0m。

根據(jù)抗突涌計算，基坑在開挖至8.5m 時需要進行承壓水降水，本項目在坑內(nèi)第二道支撐施工完成后開始承壓水降水，降水期間保持減壓井持續(xù)運行，降水運行期間，測得減壓井單井涌水量約2.0～2.5m3/h。基坑在開挖至12 月22日時，測得坑外觀測井水位有突變，突變值達到50cm，為保護周邊環(huán)境安全，減小地面沉降量，在坑外開啟承壓水回灌措施，人為抬升地下水水位。減少由于降水引起的各層沉降，使項目的基坑地面沉降得到有效控制[5]。

6.2 土方開挖情況

第一層土方開挖之前，所有的降水井頂部插上小紅旗以示警戒，基坑第一層土方開挖時，由北向南進行邊挖邊形成支撐；第二、三層土方開挖按盆式開挖原則分塊進行，先開挖中部土方，再限時對稱開挖盆邊土方形成支撐，最后開挖角部形成角撐；第四層土方開挖按主樓與裙房位置分塊進行，土方開挖完成后盡快成底板。每層土開挖深度控制在4.0m 內(nèi)，并按1:1.5 放坡，開挖施工過程保證邊坡穩(wěn)定，采取措施防止邊坡坍塌傷人；基坑坑頂距邊1.0m 內(nèi)不得堆放棄土，在此距離外堆土高度不得超過1.5m。基坑土方分段開挖順序見圖6、圖7。

圖6 基坑第二、三層土方開挖順序

圖7 基坑第四層土方開挖順序

6.3 監(jiān)測情況

基坑開挖過程中采取信息化施工，在整個土方開挖、地下結(jié)構(gòu)施工階段，按照要求對基坑本體及周邊環(huán)境實施全面監(jiān)控，為基坑施工提供可靠的數(shù)據(jù)監(jiān)測。基坑在開挖、底板澆筑、基坑回筑等整個施工過程中，變形處于可控范圍內(nèi)，最終基坑順利完成地下結(jié)構(gòu)，期間未對周邊環(huán)境造成破壞，基坑施工取得了良好的效果。

7 結(jié)語

鬧市區(qū)中一般施工場地小、環(huán)境敏感性高、挖土深度大，在這樣的復雜情況下，深基坑采用基坑圍護-基坑降水-基坑回灌一體化方式，按照“時空效應”原則分區(qū)、分層，按一定順序進行流水施工的方法，在保證基坑安全的前提下，確保工期的同時也保證了經(jīng)濟效益，是一種安全且經(jīng)濟的施工方式。